DE102014004059A1 - vibration isolator - Google Patents
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- F16F2230/00—Purpose; Design features
- F16F2230/14—Ball joints; Spherical support elements
Abstract
Vorrichtung zur Schwingungsisolation von Bauwerken, die einen Abrollkörper aufweist, welcher sich zwischen einer oberen und unteren Lagerschale befindet, die untere Lagerschale vertikal gefedert und horizontal unverschieblich gelagert wird, der Abrollkörper rotationssymmetrisch ausgestaltet ist, die Abrollflächen des Abrollkörpers mit einem Radius ausgebildet werden, der mindestens so groß ist wie die halbe Höhe des Abrollkörpers und dadurch eine ballige bzw. linsenförmige Form aufweist, die Abrollflächen der Lagerschalen eben oder abgerundet ausgestaltet sind, und die vertikale Federung der unteren Lagerschale einen nichtlinearen S-förmigen Verlauf aufweist.Device for vibration isolation of buildings, which has a rolling body, which is located between an upper and lower bearing shell, the lower bearing shell is vertically sprung and mounted horizontally immovable, the rolling body is configured rotationally symmetrical, the rolling surfaces of the rolling body are formed with a radius of at least is as large as half the height of the rolling body and thereby has a spherical or lenticular shape, the rolling surfaces of the bearings are configured flat or rounded, and the vertical suspension of the lower bearing shell has a non-linear S-shaped curve.
Description
Die Erfindung betrifft einen Schwingungsisolator zum Schutz von Bauwerken mit dem Ziel, durch Erdbeben oder andere Ursachen hervorgerufene Erregerschwingungen des Bodens abzufangen und dadurch die Bauwerke vor Beschädigungen oder gar Einsturz zu bewahren.The invention relates to a vibration isolator for the protection of structures with the aim of intercepting earthquakes or other causes induced excitatory vibrations of the soil and thereby protect the structures from damage or even collapse.
Die Einsatzmöglichkeiten des Schwingungsisolators in Bauwerken sind vielfältig und umspannen den gesamten Bereich vom traditionellen Hochbau bis zum Industrie- und Brückenbau. Selbst einzelne Komponenten eines Bauwerks oder Maschinen und Behälter lassen sich so schützen.The applications of the vibration isolator in buildings are diverse and span the entire area from traditional building construction to industrial and bridge construction. Even individual components of a building or machines and containers can be protected in this way.
Erdbeben zeichnen sich durch Bodenschwingungen sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung aus. Das Verhältnis der Horizontal- zur Vertikalerregerkomponente richtet sich dabei in erster Linie nach der Position des Bauwerks zum Epizentrum und der sogenannten Herdtiefe des Erdbebens. Im Regelfall ist die durch Erdbeben hervorgerufene Belastung in horizontaler Richtung größer als in vertikaler Richtung. Zudem fällt mit steigender Entfernung zum Epizentrum die Größe der vertikalen Erregerkomponente schneller als die der horizontalen Erregerkomponente. Daher konzentrieren sich Richtlinien zum Erdbebenschutz und gängige Schwingungsisolationsvorrichtungen in der Regel auf horizontale Erdbebenerregungen.Earthquakes are characterized by ground vibrations in both horizontal and vertical directions. The ratio of the horizontal to the vertical excitation component depends primarily on the position of the building to the epicenter and the so-called hearth depth of the earthquake. As a rule, the load caused by earthquakes in the horizontal direction is greater than in the vertical direction. In addition, as the distance to the epicenter increases, the size of the vertical exciter component falls faster than that of the horizontal exciter component. Therefore, seismic protection guidelines and common vibration isolation devices typically focus on horizontal earthquake excitation.
Allerdings nimmt die vertikale Erregerkomponente insbesondere auch in der Nähe der Epizentren erhebliche Größenordnungen an, die bei der Auslegung von Bauwerken gegen Erdbebenlasten zu beachten sind.However, the vertical pathogen component in particular in the vicinity of epicentres takes on considerable orders of magnitude, which must be taken into account in the design of structures against earthquake loads.
Grundsätzlich besteht für Isolations- bzw. Dämpfungssysteme die Notwendigkeit, die Bodenerschütterungen möglichst von der Bewegung des aufgehenden Bauwerks zu entkoppeln. Nach dem einschlägig bekannten Stand der Technik sind hierzu prinzipiell verschiedene Mechanismen möglich:
- • Durch Federsysteme wird der Versuch unternommen, die Bodenerschütterungen abzufangen. Dabei werden in der Regel Stahl- oder Elastomerfedern verwendet.
- • Gleitlagersysteme ermöglichen dem aufgehenden Bauwerk über eine reibungsbehaftete Kontaktfläche auf dem Fundament zu gleiten.
- • Kinematischen Isolationssystemen liegen Wälzkörper zugrunde, die zwischen dem aufgehenden Bauwerk und dem Fundament platziert werden. Sie ermöglichen ein Abrollen des aufgehenden Bauwerks auf dem Fundament.
- • Spring systems attempt to intercept the ground vibrations. Usually steel or elastomeric springs are used.
- • Sliding bearing systems allow the rising structure to slide over a frictional contact surface on the foundation.
- • Kinematic insulation systems are based on rolling elements placed between the rising structure and the foundation. They allow rolling of the rising structure on the foundation.
Federsysteme mit Stahlfedern werden in [
Daher wird häufig eine hohe Energiedissipation durch Dämpfungs- oder Verformungseffekte im Material bzw. im Dämpfungselement angestrebt wie beispielsweise bei den Federsystemen mit Gummi- und Elastomerlagern in [
Gleitlager und Gleitpendellager werden in [
Erschwerend kommt bei Reibungs- und Gleitpendellagern wie z. B. in [
Kinematische Lager aus Kugeln oder Rollen oder allgemein aus speziell geformten Körpern können eine Möglichkeit bilden, horizontale Erdbebenerregungen ohne bzw. mit geringen Anlaufhemmungen zu isolieren. Solche Systeme werden in [
In [
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Die bisher genannten Systeme sind dahingehend limitiert, dass keine vertikalen Erregerkomponenten isoliert oder gedämpft werden können. Hybridsysteme, die sowohl horizontale wie auch vertikale Schwingungen aufnehmen können, werden in [
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In [G 92 00 431.8] wird ein kinematisches Isolationssystem mit speziell geformten Wälzkörpern vorgestellt, die bei großen Auslenkungen höhere Rückstellkräfte bilden. Hier ist das Federsystem zur Aufnahme vertikaler Erregungen nicht mehr unterhalb des Wälzkörpers angeordnet, sondern im komprimierbaren Wälzkörper integriert.In [G 92 00 431.8] a kinematic insulation system with specially shaped rolling elements is presented which form higher restoring forces for large deflections. Here, the spring system for receiving vertical excitations is no longer disposed below the rolling element, but integrated in the compressible rolling elements.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Schwingungsisolationsvorrichtung bereitzustellen, die ein Bauwerk sowohl bei horizontaler als auch bei vertikaler Erregung möglichst gut mechanisch isoliert bzw. dämpft und dabei die folgenden Anforderungen erfüllt:
- • Die mechanische Isolation bzw. Dämpfung soll möglichst keine Anlaufhemmungen aufweisen.
- • Sie soll in der Gestalt so ausgebildet sein, dass das Bauwerk nach Ende des Erdbebens in die ursprüngliche Lage zurückkehrt.
- • Sie soll so ausgebildet sein, dass der Schwingungsisolator selbst bei starken Erregungen seine Funktionsfähigkeit beibehält.
- • Eine weitere Aufgabenstellung liegt darin, selbst niedrige Erregerfrequenzen von bis zu 0,5 Hz zu dämpfen.
- • Eine weitere Aufgabenstellung liegt in einer möglichst preiswerten und wartungsarmen Ausführung.
- • The mechanical insulation or damping should as far as possible not exhibit any start-up inhibitions.
- • It should be designed in such a way that the building returns to its original position after the earthquake has ended.
- • It should be designed in such a way that the vibration isolator retains its functionality even in the case of strong excitation.
- • Another task is to attenuate even low excitation frequencies of up to 0.5 Hz.
- • Another task is a cheap as possible and low-maintenance execution.
Der erfindungsgemäße Schwingungsisolator löst diese Aufgabe, wobei die Vorrichtung
- • einen Abrollkörper aufweist,
- • welcher sich zwischen einer oberen und unteren Lagerschale befindet,
- • die untere Lagerschale vertikal gefedert und horizontal unverschieblich gelagert wird,
- • dadurch gekennzeichnet, dass
- • der Abrollkörper rotationssymmetrisch ausgestaltet ist,
- • die Abrollflächen des Abrollkörpers mit einem Radius ausgebildet werden, der mindestens so groß ist wie die halbe Höhe des Abrollkörpers und dadurch eine ballige bzw. linsenförmige Form aufweist,
- • die Abrollflächen der Lagerschalen eben oder abgerundet ausgestaltet sind,
- • die vertikale Federung der unteren Lagerschale einen nichtlinearen S-förmigen Verlauf aufweist.
- Having a rolling body,
- • which is located between an upper and a lower bearing shell,
- The lower bearing shell is sprung vertically and stored horizontally,
- • characterized in that
- The rolling body is rotationally symmetrical,
- The rolling surfaces of the rolling body are formed with a radius that is at least as great as half the height of the rolling body and thus has a spherical or lenticular shape,
- The rolling surfaces of the bearing shells are flat or rounded,
- • The vertical suspension of the lower bearing shell has a non-linear S-shaped profile.
In einer Ausgestaltung wird vorgesehen, dass die Abrollflächen der Lagerschalen im mittleren Bereich eben ausgeführt sind und die Aufkantung erst außerhalb des mittleren Arbeitsbereiches beginnt. Dadurch werden kleine Bewegungen des Abrollkörpers wenig behindert und größere Auslenkungen progressiv gemindert. Diese progressive Minderung resultiert daraus, dass auf Grund der Aufkantung bei größeren Auslenkungen eine verstärkte Anhebung des Bauwerkes erfolgt und dadurch eine höhere Rückstellkraft generiert wird. In one embodiment, it is provided that the rolling surfaces of the bearing shells are made flat in the central region and the upstand begins only outside the middle working range. As a result, small movements of the rolling body are little impeded and larger deflections are progressively reduced. This progressive reduction results from the fact that due to the upstand at larger deflections an increased increase of the structure takes place and thus a higher restoring force is generated.
Eine weitere Ausgestaltung betrifft die Anordnung der vertikalen Federpakete, die ebenfalls so ausgeführt werden kann, dass die Federung nicht nur durch ein großes Federpaket unter der Lagerschale, sondern auch durch ein Feld von mehreren, beispielsweise 4, 9 oder mehr nebeneinander liegenden Federpaketen erfolgen kann.A further embodiment relates to the arrangement of the vertical spring packs, which can also be designed so that the suspension can be done not only by a large spring assembly under the bearing shell, but also by a field of several, for example, 4, 9 or more adjacent spring packs.
Eine weitere Ausgestaltung betrifft das Federelement, dessen nichtlineare Kennlinie sowohl durch eine spezielle Federgeometrie, wie z. B. bei Tellerfedern, als auch durch Material mit nichtlinearem Verhalten, wie z. B. bei Gummi oder bei besonders legierten Metallen wie z. B. Formgedächtnislegierungen (engl. Shape Memory Alloys), erreicht werden kann.A further embodiment relates to the spring element whose non-linear characteristic both by a special spring geometry, such. B. in disc springs, as well as by material with non-linear behavior, such as. B. in rubber or in particularly alloyed metals such. B. shape memory alloys (English Shape Memory Alloys), can be achieved.
Eine weitere Ausgestaltung betrifft die Abrollflächen auf dem Abrollkörper und den Lagerschalen, die durch ineinander greifende konzentrische Rillen ausgeführt werden können, die in der Schnittdarstellung z. B. wellenförmig oder zahnradähnlich ausgestaltet sind. Dadurch wird eine Auslenkung in jede beliebige horizontale Richtung ermöglicht, ohne dass der Abrollkörper in der Lagerschale horizontal weggleitet oder wegdriftet und danach der Abrollkörper nicht mehr in seine exakte Ausgangslage zurückfindet. Eine Deplatzierung des Gebäudes wird damit vermieden.A further embodiment relates to the rolling surfaces on the rolling body and the bearing shells, which can be performed by interlocking concentric grooves, which in the sectional view z. B. wavy or gear-like configured. This allows a deflection in any horizontal direction, without the rolling body in the bearing shell slides away horizontally or drifts away and then the rolling body no longer finds its exact starting position. A misplacement of the building is thus avoided.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand von 7 Zeichnungen erläutert, wobei diese Zeichnungen nur Ausführungsbeispiele für die Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind.The device of the invention will be explained with reference to 7 drawings, these drawings are only exemplary embodiments of the construction of the device according to the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Bauwerkbuilding
- 22
- Bodenplatte des aufgehenden BauwerksBase plate of the rising structure
- 33
- Schwingungsisolatorvibration isolator
- 44
- Fundamentwannefoundation pit
- 55
- Abrollkörperunwinding
- 66
- Ebene der unteren LagerschaleLevel of the lower bearing shell
- 77
- Ebene der oberen LagerschaleLevel of the upper bearing shell
- 88th
- Abrollkörperunwinding
- 99
- Abrollflächen mit wellenförmigem ProfilRolling surfaces with wavy profile
- 1010
- Untere Lagerschale (vertikal verschieblich, horizontal unverschieblich)Lower bearing shell (vertically displaceable, horizontally non-displaceable)
- 1111
- Federpaket mit TellerfedernSpring package with disc springs
- 1212
- Abrollflächen mit zahnradförmigem ProfilRolling surfaces with gear-shaped profile
- 1313
- Feld mit vier FederpaketenField with four spring packages
- 1414
- Federelement aus speziellem Material mit nichtlinearem MaterialverhaltenSpring element made of special material with non-linear material behavior
- 1515
- Abrollfläche mit geradem Mittelteil und aufgewölbtem RandRolling surface with straight central part and curved edge
- 1616
- Spiralfedern mit nichtlinearem MaterialverhaltenSpiral springs with nonlinear material behavior
- 1717
- Nichtlineare Federkennlinie ohne HystereseNonlinear spring characteristic without hysteresis
- 1818
- Nichtlineare Federkennlinie mit HystereseNonlinear spring characteristic with hysteresis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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